O que é cromodinâmica quântica ou QCD?

A cromodinâmica quântica é uma teoria quântica de campos cuja função é o estudo da interação nuclear forte. A força nuclear forte é responsável por manter os núcleos dos átomos (nêutrons e prótons) fortemente ligados, superando a força eletromagnética entre os prótons.

Nêutrons e prótons são feitos de quarks. Por exemplo, os prótons são compostos de dois quarks up e um quark down e os nêutrons são compostos de dois quarks down e um quark up.

De acordo com a teoria quântica de campos, as forças fundamentais do universo são consequência da troca de bósons entre as partículas. No caso da interação forte, esses bósons são chamados de glúons, palavra que vem do inglês “glue” que significa cola. Essa troca de glúons entre quarks permite que nêutrons e prótons fiquem fortemente ligados ao núcleo do átomo.

A palavra cromodinâmica vem do grego chromos que significa cor. Seu nome vem de uma propriedade conservada desse tipo de campo quântico chamada carga de cor. Como veremos nas seções a seguir, a carga colorida é a propriedade quântica que atua como cola para manter os núcleos do átomo bem confinados.

Se você quiser saber mais sobre quantum, você pode ler nosso artigo completo sobre mecânica quântica .

Em outras teorias quânticas de campos, como a eletrodinâmica quântica de Feynman, a interação eletromagnética perde força à medida que a distância entre dois elétrons aumenta. Ou seja, quanto mais próximos dois elétrons estiverem, mais forte será a força repulsiva entre eles.

A mesma coisa acontece com a força gravitacional. Como sabemos pela equação da gravitação universal de Newton que a força da gravidade é inversamente proporcional ao quadrado da distância. Como consequência, a interação gravitacional perde força muito rapidamente com a distância entre dois corpos.

Na interação forte, para surpresa de todos, ocorre o contrário. Quando os quarks estão juntos, a força nuclear forte é muito fraca. Mas se os separarmos, cresce muito rapidamente. Para fazer uma comparação, é como se os quarks estivessem unidos por um elástico. Se estiverem muito próximos, a força exercida pela referida borracha é muito baixa, mas se você os afastar, a borracha estica e exerce uma força que faz com que eles se juntem novamente.

Por que esse fenômeno acontece?

Como dissemos anteriormente, as interações fundamentais ocorrem através da troca de bósons.

Na interação eletromagnética, esses bósons são fótons, e acontece que os fótons não interagem entre si.

Mas no caso da interação forte, esses bósons são glúons e os glúons podem interagir entre si, o que confere à cromodinâmica quântica essa propriedade de liberdade assintótica.

As teorias quânticas de campos descrevem forças fundamentais e suas simetrias. Elas são chamadas de teorias de calibre.

Pelo teorema de Noether sabemos que uma simetria numa certa grandeza física é equivalente à conservação dessa grandeza. Por exemplo, sabemos que a energia se conserva, isto porque existe uma simetria temporal.

Sabemos também que o momento linear é uma propriedade conservada. A razão é porque existe uma simetria translacional.

Bem, a mesma coisa acontece nas teorias de calibre. Se tomarmos a função que descreve a energia do campo glúon (energia da interação forte), ou seja, sua Lagrangiana, veremos que ela possui certas simetrias.

Isto significa que, se aplicarmos esta simetria à energia do campo quântico, esta energia não mudará, ou seja, é invariante sob esta transformação de calibre.

Essas simetrias estão associadas a uma magnitude conservada, e esta não é nem mais nem menos que a carga colorida.

A carga colorida associa cada quark a uma cor diferente. Por exemplo, no caso dos prótons temos dois quarks up e um quark down. Cada quark de um próton terá uma cor diferente: verde, azul e vermelho. Se misturarmos essas cores, obtemos o branco.

A conservação da carga de cor nos diz que, em todos os momentos, o conjunto das três cores deve dar o branco.

Para aqueles que gostam de matemática, o conjunto dessas simetrias de calibre do campo quântico gluônico forma um grupo de Lie de matrizes unitárias especiais, chamado SU(3).

Em muitas teorias quânticas de campos, séries perturbativas são usadas para realizar cálculos e previsões. Os métodos perturbativos utilizam um problema simples para resolver e através de perturbações obtém-se o resultado de um problema mais complexo.

Para calcular os parâmetros da série, são utilizados os famosos diagramas de Feynman. Na eletrodinâmica quântica, os cálculos são mais precisos, pois o grupo de simetria de calibre tem a propriedade de ser abeliano (os elementos do grupo são comutativos na operação de grupo). Em contraste, o grupo SU(3) da cromodinâmica quântica é não-abeliano.

Para os casos em que os métodos perturbativos falham, outras alternativas têm sido procuradas. Alguns exemplos são a formulação da cromodinâmica quântica na rede ou o uso da correspondência Ads/CFT (Teoria de Campos Conformacionais Anti-de-Sitter).

A propriedade da massa é frequentemente associada ao bóson de Higgs. É verdade que uma parte da massa depende de como uma partícula se acopla ao campo de Higgs. Por exemplo, o quark top é o quark mais massivo, pois se acopla mais ao campo de Higgs.

Porém, grande parte da massa dos prótons e nêutrons e, portanto, da massa do átomo não se deve ao bóson de Higgs, mas ao campo gluônico.

Temos que imaginar o núcleo de um átomo como quarks e muitos glúons ao seu redor. Isso se forma como uma sopa de glúons interagindo entre si e com os quarks. Toda essa energia do campo de glúons é o que dá a maior parte da massa dos núcleos e não o campo de Higgs.